電極結構對于大氣壓低溫等離子體射流初始電場的影響*

戶玎嵐，楊蘭蘭（東南大學電子科學與工程學院，南京 210096）

大氣壓等離子體射流APPJ（Atmospheric Pres?sure Plasma Jet）是近年來興起的一種新的低溫等離子體產(chǎn)生技術，是目前國際上等離子體放電科學領域的一個研究熱點。APPJ因具有無需真空系統(tǒng)，操作簡單，可控性好，成本低廉，低溫，產(chǎn)生的活性粒子平均濃度高等優(yōu)點，在材料表面處理［1-2］與生物醫(yī)學［3-4］等領域得到了廣泛的應用。

大氣壓低溫等離子體射流是采用特殊電極結構，利用氣流和電場的作用使放電區(qū)域產(chǎn)生的等離子體從噴管或孔口中噴出，形成大氣壓非平衡等離子體射流，然后利用其產(chǎn)生的各種自由基、帶電粒子、紫外線等共同作用在被處理物上，從而得到各種所需的處理效果。因此，它的發(fā)展離不開對噴射氣流和等離子體放電機制及特性的理解和把握。在實際應用中，射流長度在很大程度上限制了AP?PJs的應用，因此研究影響大氣壓下射流等離子體放電長度的不同因素并系統(tǒng)地分析其作用機理對于提高射流放電的可控性增強適用性具有重要的意義。目前已有諸多學者對大氣壓下射流放電長度的影響因素進行了研究。華中科技大學的盧新培教授課題組采用射頻電源和針孔射流管產(chǎn)生了11 cm的氦氣射流體并采用ICCD拍攝光譜對其放

項目來源：江蘇省自然科學基金項目（BK2012737）；國家自然科學基金項目（61271053，50907009）

本文基于COMSOL軟件建立了等離子體射流器件的二維軸對稱模型，求解了不同電極結構對等離子體射流電勢及電場分布的影響，該電場參數(shù)對等離子體射流的特性有較大的影響。

1 結構模型

本文所研究的射流器件的幾何結構，如圖1所示，模型尺寸AB=CD=8 cm，BC=AD=2 cm，BK=3.9 cm，BE=EF=FG=IH=0.1 cm，JI=0.2 cm。其中BELK是針電極，上面施加6 kV的電壓，F(xiàn)GHI是管壁，設置成石英硅的參數(shù)，整個區(qū)域內(nèi)充滿了氬氣。AD和CD接地，BC采用Neumann邊界條件封邊。

圖1 射流器件幾何結構

本文對3種電極結構進行了仿真，分別如圖2所示：（1）只有針電極；（2）針電極+環(huán)電極（壁上），環(huán)電極的長度有0.1 cm，0.2 cm，0.3 cm，0.4 cm共4種尺寸；（3）針電極+環(huán)電極（壁外），環(huán)電極距壁的距離有0.1 cm，0.5 cm，1 cm共3種尺寸。

圖2 3種不同的電極結構示意圖

2 模擬結果

2.1 針電極

圖3、圖4分別為只有針電極的時候的電勢及電場分布圖。可見，整體趨勢是電勢隨著與針電極距離的增大而降低，越接近針電極的電勢分布越密，即場強越大。在針電極上施加6 kV的電壓時，電場最大值為37.442 kV/cm，位于針電極靠近壁的尖端出，實驗證明，此時射流器件的放電通常由此處引發(fā)，如圖5所示。

圖3 電勢等值線分布圖

圖4 電場分布圖

圖5 起始放電實驗圖

2.2 針電極+環(huán)電極（壁上）

環(huán)電極長度不同時的電勢及電場分布圖分別如圖6和圖7所示，由圖可知，環(huán)電極的出現(xiàn)對周圍的電勢及電場產(chǎn)生了影響，環(huán)電極周圍的電場變大，且最大場強也發(fā)生了變化，如表1所示。

表1 環(huán)電極距壁不同距離對應的最大場強

2.2 針電極+環(huán)電極（壁外）

環(huán)電極長度不同時的電勢及電場分布圖分別如圖8和圖9所示。

由圖可知，環(huán)電極的出現(xiàn)對周圍的電勢及電場產(chǎn)生了影響，電極周圍的電場變大，且最大場強也發(fā)生了變化，但隨著環(huán)電極距壁的距離增大，影響減弱，如表2所示，其中當電極的距壁的距離為1 cm時，最大場強值還較只有針電極時的稍小，這是由于環(huán)電極距離較遠，且寬度較窄，對電勢分布的改變微弱，同時由于對徑向電場的弱化作用，反而使總電場略有減小。

圖6 電勢等值線分布圖

圖7 電場分布圖

圖8 電勢等值線分布圖

圖9 電場分布圖

表2 不同環(huán)電極長度對應的最大場強

2.3 結果分析

從上述結果中可以看出，電極的位置及長度對于初始電場有較大的影響，只存在針電極時，電場強度值比較小，在壁上加上環(huán)電極后，最大電場強度值顯著增大，且環(huán)電極的寬度對最大電場強度的大小也有影響，當在壁外加上環(huán)電極時，最大電場強度值也增大，但增加的幅度較環(huán)電極在壁上時的小，且隨著環(huán)電極距壁的距離越來越遠，產(chǎn)生的影響也越來越小。有文獻指出電場分布越均勻、強電場區(qū)域越大的電極結構有利于抑制輝光放電向弧光放電的轉變，有利于射流輝光等離子體的生成［11］。因此具體采用哪一種電極結構需要根據(jù)應用需要實際研究，并不能過于追求最大電場強度。但本文僅研究了電極結構對初始電場的影響，并未考慮放電的影響，實際上隨著放電的進行，由于壁電荷和空間電荷的積累，空間電場會發(fā)生較大的變化。電場對等離子體射流特性的影響還需結合放電機理進行深入的研究。

3 總結

本文建立了等離子體射流器件的二維軸對稱模型，研究了不同的電極結構對于初始電場的影響，電場分布對等離子體的長度有一定的影響，電場分布越均勻、強電場區(qū)域越大的電極結構有利于低溫等離子體射流的產(chǎn)生，但電場對等離子體射流特性的影響還需結合放電機理進行深入的研究。

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戶玎嵐（1991-），女，漢族，東南大學電子科學與工程學院碩士研究生，主要研究方向為等離子體射流流體及放電特性，847127803@qq.com；

楊蘭蘭（1978-），女，漢族，東南大學電子科學與工程學院副教授，研究方向為物理電子學和顯示科學與技術，jujube_yang@seu.edu.cn。